А.С. Спирин: Характеристика проблем гипотезы мира РНК
Проблемы гипотезы РНК-мира, по А.С. Спирину:
КОГДА, ГДЕ И В КАКИХ УСЛОВИЯХ МОГ ВОЗНИКНУТЬ И ЭВОЛЮЦИОНИРОВАТЬ МИР РНК? Палеонтологический журнал, 2007(5), 11-19.
Выжимка из небольшой статьи. Большая благодарность antikpro за текст статьи.
Суть гипотезы
Рибонуклеиновая кислота (РНК) представляет собой уникальный полимер, способный выполнять все функции, свойственные как основному генетическому веществу - дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК), так и веществу, определяющему метаболизм живых организмов - белку. Так, с одной стороны, РНК способна быть матрицей для воспроизведения своей собственной структуры и быть носителем полноценной генетической информации, а с другой - она способна формировать компактные специфические структуры, обеспечивающие избирательное узнавание и связывание метаболитов и других лигандов, а также катализ химических превращений этих лигандов (см. Spirin, 2002). Таким образом, ансамбль молекул РНК может быть самодостаточным образованием, обеспечивающим его существование, рост и размножение, т.е. аналогом живых систем, но состоящим всего из одного типа полимеров (так называемая "однополимерная" форма жизни). Отсюда возникла весьма привлекательная гипотеза о том, что такая форма жизни могла предшествовать современной, базирующейся на трех полимерах - ДНК, РНК и белках (Woese, 1967; Crick, 1968; Orgel, 1968; Gilbert, 1986). Это гипотеза о древнем мире РНК как первичной форме жизни, эволюция которого привела к возникновению аппарата биосинтеза белка, специализированного генетического аппарата на основе ДНК и, в конце концов, к клеточной организации живой материи (см. Joyce, 2002; Orgel, 2004; Joyce, Orgel, 1999, 2006; Спирин, 2001, 2003).
Современное состояние исследований по подтверждению гипотезы
Многочисленные попытки воспроизвести предполагаемый абиогенный синтез компонентов нуклеиновых кислот - рибозы, азотистых оснований (аденина, гуанина, цитозина и урацила), рибонуклеозидов, фосфорилированных рибонуклеозидов (рибонуклеотидов) и полирибонуклеотидов в лабораториях всего мира на протяжении последних 40 лет в целом ряде случаев были относительно успешными, но, к сожалению, только в отношении первичных компонентов, таких как рибоза, фосфорилированная рибоза и азотистые основания.
Уже синтез нуклеозидов из рибозы и оснований оказался малоуспешным, а прямого синтеза пиримидиновых нуклеозидов так и не удалось получить (см. обзор Orgel, 2004). Абиогенное фосфорилирование нуклеозидов для получения непосредственных мономерных субъединиц полирибонуклеотидов-монорибонуклеотидов - также оказалось проблематичным, особенно в водной среде, в связи с:
- Низким выходом реакций.
- Беспорядочным фосфорилированием самых различных групп нуклеозидов, дающим сложную смесь фосфорилированных продуктов вместо требуемых нуклеозид-5'-фосфатов.
- Гомохиральностью - продукты абиогенных синтезов нуклеозидов неизменно представляют собой рацемические смеси, тогда как для образования настоящих РНК требуется только D стереоизомеры.
Заключение, которое можно сделать из всех имеющихся данных, не утешительно: несмотря на все ухищрения и моделирование различных условий первобытной Земли, к настоящему времени не удается воспроизвести полный абиогенный синтез ни одного из нуклеотидов, являющихся компонентами (мономерами) РНК.
Главными проблемами (так наз. парадоксами) гипотезы РНК-мира являются следующие.
1. Проблемы неэнзиматической (пребиотической) полимеризации нуклеотидов
Полимеризация нуклеотидов в водной среде -реакция, идущая с поглощением свободной энергии и потому требующая либо внешних активирующих агентов, либо предварительной активации нуклеотидов,
например, путем их полифосфорилирования.
Все попытки использовать внешние активирующие агенты, не дали положительных результатов, а спонтанная реакция полимеризации нуклеозид-5'-полифосфатов при разумных температурах и pH оказалась слишком медленной, чтобы представлять интерес для решения проблемы. Нуклеотиды можно активировать фосфорамидатами (фосфоримидазолидами), но их существование в достаточных количествах на первозданной Земле весьма сомнительно. Кроме того, полимеризация нуклеозид-фосфорамидатов дает сложную смесь коротких линейных и циклических продуктов, и даже в присутствии самых успешных катализаторов, типа катионов свинца или уранила, в образующихся олигорибо-нуклеотидах мономеры оказываются связанными в основном 2'-5'-связями, вместо 3'-5', требуемых для создания РНК.
Наибольший относительный успех в неэнзиматической полимеризации нуклеотидов был достигнут при применении поверхностных минеральных катализаторов типа глин, в частности монтмориллонита. В этих опытах происходил синтез в водной среде довольно длинных олигорибонуклеотидов (до 40 нуклеотидных остатков) из нуклеозид-фосфорамидатов, с образованием нормальных 3'-5' межнуклеотидных связей. Тем не менее, приходится признать, что и этот успех не решает проблемы неэнзиматической (пребиотической) полимеризации нуклеотидов в РНК, так как существование фосфорамидатных субстратов на первозданной Земле маловероятно.
В связи с трудностями гипотезы была предложена идея принципиально иных предшественников РНК, которые однако обладали бы сходными свойствами (стабильное спаривание азотистых оснований в двойную спираль потенциально дает возможность самовоспроизведения, по одной половине спирали как по матрице). По логике этой идеи, впоследствии предшественники могли быть замещены РНК. Например, в качестве возможного предшественника предлагались пептидные нуклеиновые кислоты (ПНК). Однако данное предположение не получило серьёзной поддержки, потому что магистральная эволюционная парадигма имеет не замещательный, а аддитивный характер: по общепринятым представлениям, эволюция биохимии не отрицает (не замещает) старое, но согласуется с ним путём добавления/надстройки.
2. Водный парадокс
С одной стороны, вода стабилизирует двойную спираль, отдельные двуспиральные блоки компактно свернутых одноцепочечных РНК и саму компактную упаковку макромолекул за счет гидрофобных взаимодействий плоскостей колец азотистых оснований. При этом жидкая вода является растворителем для РНК, позволяющим свободные диффузионные перемещения макромолекул РНК при выполнении ими своих функций. С другой стороны, ковалентная полирибонуклеотидная цепь РНК в воде термодинамически нестабильна и спонтанно гидролизуется, особенно при повышении температуры, сдвиге рН и в присутствии катионов ряда ди- и поливалентных металлов.
Возможный путь решения: стабилизация РНК на поверхностях некоторых минералов (глин). Минус: резко ограничена подвижность молекул. Отсюда - предположение о циклах (фиксация молекул на поверхности минералов -> стабилизация -> освобождения в жидкую фазу -> выполнение РНК своих функций в водном растворе -> фиксация -> ...)
Замена воды на другой солвент (формамид) не решает проблему (происходит денатурация, то есть разрушение требуемой для репликации пространственной формы молекул).
3. Конформационный парадокс
Парадокс состоит в том, что для функционирования молекул в мире РНК нужна стабильная структура компактно свернутых одноцепочечных полирибонуклеотидов, а для их воспроизведения - структура еще более стабильной двойной спирали и ее последующее плавление, что не совместимо с функционированием РНК в качестве специфических лиганд-связывающих и каталитических агентов, включая РНК-реплицирующие рибозимы.
4. Геологический парадокс
Массивная метеоритная бомбардировка, окончившаяся, по современным представлениям, лишь к времени 3,9 млрд. лет назад, делает маловероятным существование мира РНК, да и просто молекул РНК, на Земле до указанного времени. Сосуществование мира РНК с первой клеточной жизнью практически исключено в виду совершенно явных преимуществ клеточной жизни в предполагаемой борьбе с РНК-жизнью за ресурсы. Таким образом,по словам учёного, остается весьма узкая временнáя щель - порядка 100 млн. лет или менее того - для появления, размножения и эволюции мира РНК вплоть до первых высоко организованных организмов - бактерий - с современными сложнейшими молекулярными аппаратами наследственности, белкового синтеза, энергообеспечения и обмена веществ.
===
К этому списку проблем я бы ещё добавил парадокс Айгена: относительно безошибочная репликация информационно-несущих биополимеров происходит при длинах молекул, не превышающих некоторой критической длины, по превышении которой происходит лавинообразное накопление ошибок копирования. Поэтому в реальности поддержание стабильной репликации требует наличия корректора. Однако проблема в том, что длина кода простейшего корректора превышает критическую. Отсюда видно, что существование дарвиновского пути на пребиотической стадии до первой работающей клетки, снабженной критически важной функцией репарации РНК/ДНК, весьма маловероятно.
КОГДА, ГДЕ И В КАКИХ УСЛОВИЯХ МОГ ВОЗНИКНУТЬ И ЭВОЛЮЦИОНИРОВАТЬ МИР РНК? Палеонтологический журнал, 2007(5), 11-19.
Выжимка из небольшой статьи. Большая благодарность antikpro за текст статьи.
Суть гипотезы
Рибонуклеиновая кислота (РНК) представляет собой уникальный полимер, способный выполнять все функции, свойственные как основному генетическому веществу - дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК), так и веществу, определяющему метаболизм живых организмов - белку. Так, с одной стороны, РНК способна быть матрицей для воспроизведения своей собственной структуры и быть носителем полноценной генетической информации, а с другой - она способна формировать компактные специфические структуры, обеспечивающие избирательное узнавание и связывание метаболитов и других лигандов, а также катализ химических превращений этих лигандов (см. Spirin, 2002). Таким образом, ансамбль молекул РНК может быть самодостаточным образованием, обеспечивающим его существование, рост и размножение, т.е. аналогом живых систем, но состоящим всего из одного типа полимеров (так называемая "однополимерная" форма жизни). Отсюда возникла весьма привлекательная гипотеза о том, что такая форма жизни могла предшествовать современной, базирующейся на трех полимерах - ДНК, РНК и белках (Woese, 1967; Crick, 1968; Orgel, 1968; Gilbert, 1986). Это гипотеза о древнем мире РНК как первичной форме жизни, эволюция которого привела к возникновению аппарата биосинтеза белка, специализированного генетического аппарата на основе ДНК и, в конце концов, к клеточной организации живой материи (см. Joyce, 2002; Orgel, 2004; Joyce, Orgel, 1999, 2006; Спирин, 2001, 2003).
Современное состояние исследований по подтверждению гипотезы
Многочисленные попытки воспроизвести предполагаемый абиогенный синтез компонентов нуклеиновых кислот - рибозы, азотистых оснований (аденина, гуанина, цитозина и урацила), рибонуклеозидов, фосфорилированных рибонуклеозидов (рибонуклеотидов) и полирибонуклеотидов в лабораториях всего мира на протяжении последних 40 лет в целом ряде случаев были относительно успешными, но, к сожалению, только в отношении первичных компонентов, таких как рибоза, фосфорилированная рибоза и азотистые основания.
Уже синтез нуклеозидов из рибозы и оснований оказался малоуспешным, а прямого синтеза пиримидиновых нуклеозидов так и не удалось получить (см. обзор Orgel, 2004). Абиогенное фосфорилирование нуклеозидов для получения непосредственных мономерных субъединиц полирибонуклеотидов-монорибонуклеотидов - также оказалось проблематичным, особенно в водной среде, в связи с:
- Низким выходом реакций.
- Беспорядочным фосфорилированием самых различных групп нуклеозидов, дающим сложную смесь фосфорилированных продуктов вместо требуемых нуклеозид-5'-фосфатов.
- Гомохиральностью - продукты абиогенных синтезов нуклеозидов неизменно представляют собой рацемические смеси, тогда как для образования настоящих РНК требуется только D стереоизомеры.
Заключение, которое можно сделать из всех имеющихся данных, не утешительно: несмотря на все ухищрения и моделирование различных условий первобытной Земли, к настоящему времени не удается воспроизвести полный абиогенный синтез ни одного из нуклеотидов, являющихся компонентами (мономерами) РНК.
Главными проблемами (так наз. парадоксами) гипотезы РНК-мира являются следующие.
1. Проблемы неэнзиматической (пребиотической) полимеризации нуклеотидов
Полимеризация нуклеотидов в водной среде -реакция, идущая с поглощением свободной энергии и потому требующая либо внешних активирующих агентов, либо предварительной активации нуклеотидов,
например, путем их полифосфорилирования.
Все попытки использовать внешние активирующие агенты, не дали положительных результатов, а спонтанная реакция полимеризации нуклеозид-5'-полифосфатов при разумных температурах и pH оказалась слишком медленной, чтобы представлять интерес для решения проблемы. Нуклеотиды можно активировать фосфорамидатами (фосфоримидазолидами), но их существование в достаточных количествах на первозданной Земле весьма сомнительно. Кроме того, полимеризация нуклеозид-фосфорамидатов дает сложную смесь коротких линейных и циклических продуктов, и даже в присутствии самых успешных катализаторов, типа катионов свинца или уранила, в образующихся олигорибо-нуклеотидах мономеры оказываются связанными в основном 2'-5'-связями, вместо 3'-5', требуемых для создания РНК.
Наибольший относительный успех в неэнзиматической полимеризации нуклеотидов был достигнут при применении поверхностных минеральных катализаторов типа глин, в частности монтмориллонита. В этих опытах происходил синтез в водной среде довольно длинных олигорибонуклеотидов (до 40 нуклеотидных остатков) из нуклеозид-фосфорамидатов, с образованием нормальных 3'-5' межнуклеотидных связей. Тем не менее, приходится признать, что и этот успех не решает проблемы неэнзиматической (пребиотической) полимеризации нуклеотидов в РНК, так как существование фосфорамидатных субстратов на первозданной Земле маловероятно.
В связи с трудностями гипотезы была предложена идея принципиально иных предшественников РНК, которые однако обладали бы сходными свойствами (стабильное спаривание азотистых оснований в двойную спираль потенциально дает возможность самовоспроизведения, по одной половине спирали как по матрице). По логике этой идеи, впоследствии предшественники могли быть замещены РНК. Например, в качестве возможного предшественника предлагались пептидные нуклеиновые кислоты (ПНК). Однако данное предположение не получило серьёзной поддержки, потому что магистральная эволюционная парадигма имеет не замещательный, а аддитивный характер: по общепринятым представлениям, эволюция биохимии не отрицает (не замещает) старое, но согласуется с ним путём добавления/надстройки.
2. Водный парадокс
С одной стороны, вода стабилизирует двойную спираль, отдельные двуспиральные блоки компактно свернутых одноцепочечных РНК и саму компактную упаковку макромолекул за счет гидрофобных взаимодействий плоскостей колец азотистых оснований. При этом жидкая вода является растворителем для РНК, позволяющим свободные диффузионные перемещения макромолекул РНК при выполнении ими своих функций. С другой стороны, ковалентная полирибонуклеотидная цепь РНК в воде термодинамически нестабильна и спонтанно гидролизуется, особенно при повышении температуры, сдвиге рН и в присутствии катионов ряда ди- и поливалентных металлов.
Возможный путь решения: стабилизация РНК на поверхностях некоторых минералов (глин). Минус: резко ограничена подвижность молекул. Отсюда - предположение о циклах (фиксация молекул на поверхности минералов -> стабилизация -> освобождения в жидкую фазу -> выполнение РНК своих функций в водном растворе -> фиксация -> ...)
Замена воды на другой солвент (формамид) не решает проблему (происходит денатурация, то есть разрушение требуемой для репликации пространственной формы молекул).
3. Конформационный парадокс
Парадокс состоит в том, что для функционирования молекул в мире РНК нужна стабильная структура компактно свернутых одноцепочечных полирибонуклеотидов, а для их воспроизведения - структура еще более стабильной двойной спирали и ее последующее плавление, что не совместимо с функционированием РНК в качестве специфических лиганд-связывающих и каталитических агентов, включая РНК-реплицирующие рибозимы.
4. Геологический парадокс
Массивная метеоритная бомбардировка, окончившаяся, по современным представлениям, лишь к времени 3,9 млрд. лет назад, делает маловероятным существование мира РНК, да и просто молекул РНК, на Земле до указанного времени. Сосуществование мира РНК с первой клеточной жизнью практически исключено в виду совершенно явных преимуществ клеточной жизни в предполагаемой борьбе с РНК-жизнью за ресурсы. Таким образом,по словам учёного, остается весьма узкая временнáя щель - порядка 100 млн. лет или менее того - для появления, размножения и эволюции мира РНК вплоть до первых высоко организованных организмов - бактерий - с современными сложнейшими молекулярными аппаратами наследственности, белкового синтеза, энергообеспечения и обмена веществ.
===
К этому списку проблем я бы ещё добавил парадокс Айгена: относительно безошибочная репликация информационно-несущих биополимеров происходит при длинах молекул, не превышающих некоторой критической длины, по превышении которой происходит лавинообразное накопление ошибок копирования. Поэтому в реальности поддержание стабильной репликации требует наличия корректора. Однако проблема в том, что длина кода простейшего корректора превышает критическую. Отсюда видно, что существование дарвиновского пути на пребиотической стадии до первой работающей клетки, снабженной критически важной функцией репарации РНК/ДНК, весьма маловероятно.